Студенческая научно-практическая конференция «Промышленные инновации и нанотехнологии в автомобильной промышленности» (стр. 5 )

Пространство между иглой и экраном заполняется инертным газом (гелием, аргоном) при давлении 10-1 Па. Если между кончиком иглы и экраном приложить напряжение, причём игла должна служить анодом, то вокруг неё можно создать чрезвычайно сильное электрическое поле - около 500 МВ/см2. Когда электрически нейтральный атом вследствие диффузии подходит к атомам острия, электрическое поле ионизирует его. Этот ион под действием электрического поля направляется к той точке экрана, которая однозначно соответствует позиции атома исследуемого образца, вблизи которого произошла ионизация. Изображение иглы на флуоресцирующем экране характеризуется очень большим увеличением - отчётливо видны атомы кристаллической решётки. Поскольку ионы - это тяжёлые частицы, то длина их волны очень мала, вследствие чего исключаются дифракционные эффекты, снижающие разрешающую способность получаемых изображений.

При этом максимальное разрешение микроскопа определяется величиной менее 0,2 нм.

Однако не все образцы можно изучать с помощью ионного микроскопа. Образец должен быть насажен на тонкий кончик иглы шириной несколько ангстрем и быть стойким к огромным электрическим полям, которые могут привести к разрыву химических связей, удерживающих атомы на поверхности.

Литература

1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. , , П. Аливисатоса. М., 2002.

2. Головин в нанотехнологию. М., 2003.

3. Drexler E. K., Peterson C. H., Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution. N. Y., 1993.

4. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.

НАНОЭНЕРГЕТИКА

, студент ВФ ГОУ МГИУ

Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

За последние десять лет производство энергии увеличивалось ежегодно на полтора процента. По прогнозным оценкам спрос на энергоресурсы увеличится на 65% до 2020 г. Новые вызовы к энергетическому сектору, обусловленные ростом мировых цен на энергоресурсы, подписанием Россией Киотского протокола и тем влиянием, которое может оказать изменение климата на развитие экономики и энергетического сектора, потребовали пересмотра уже сложившихся подходов к регулированию и приоритетов развития энергетического комплекса. Многие страны мира начали включать нанотехнологии в стратегию развития энергетического комплекса, одновременно, в нано-области выделилось отдельное направление - развитие нано-энергетики.

Нанотехнологии могут оказать существенное влияние на производство, переработку, хранение и эффективность использования энергоресурсов. Следует отметить, что нанотехнологии могут повлиять на развитие практически всех под-секторов энергетического комплекса от тепловой энергетики до ядерной, солнечной и водородной энергетики.

Особые надежды связываются с использованием нанотехнологий в водородной энергетике. В этом секторе на этапе производства энергии ожидается использование наночастиц (Се02), металлической керамики на основе нано-композитов и никельного нанопорошка. Рынок никельного нанопорошка для водородной энергетики в настоящее время составляет около 3500 тонн в год, а к 2011 г. эксперты ЕС считают, что он вырастет до 15000 тонн в год, то есть увеличится в 4,2 раза. При этом стоимость производства никельного нанопорошка к 2011 г. снизится с 1920 евро за 1 кг. до 1200 евро за 1 кг., то есть в 1,6 раза. Рынок наночастиц (Се02) к 2010 г. составит около 10000 тон в год. Столь быстрый рост рынка никельного нанопорошка предопределен его потребительскими свойствами и снижением стоимости производства. Он может быть использован для производства электродов, фильтров, при этом обеспечивает снижение их размеров при одновременном улучшении электрических, магнитных и теплопроводных свойств.

Уже выполненные и ведущиеся ИИР показывают, что нанотехнологии окажут революционное воздействие на технологии хранения водорода. Для этих целей будут использоваться углеродные нанотрубки, графитовые частицы, полимеры с углеродными наночастицами, полипироловые нанотрубки, полистироловые наноструктуры и металлокерамические нанокомпозиты. Мировой рынок углеродных нанотрубок составляет в настоящее время около 700 млн. тонн, а к 2011 г. он увеличится до 13 млрд. тонн в год, при этом стоимость их производства снизится со 100 евро за 1 грамм до 2 евро за грамм. Этот рынок будет отличаться быстрыми темпами развития ввиду существенного снижения стоимости производства. Рынок полимеров с углеродными наночастицами составляет в настоящее время около 21 млн. тонн в год, а к 2011 г. он вырастет до 74 млн. тонн. При этом стоимость их производства снизится с 500000 евро за кг до 50 евро за кг, то есть в 10000 раз.

Рынок полипироловых нанотрубок в настоящее время составляет около 250 тонн в год, а к 2011 г. он увеличится до 5000 тонн, при этом стоимость их производства снизится с 18000 евро за кг. до 6000 евро за кг. Потенциальные возможности развития рынка связаны с преодолением уже обозначившихся технологических, рыночных, экологических и социальных барьеров. Технологические барьеры связаны с встраиванием “нано” в макроструктуры и со сложностями производства “чистых” наноструктур с необходимыми параметрами. Например, для нанотрубок важными параметрами являются длина, проводимость, изолированность. Рыночные барьеры обуславливаются высокой стоимостью и отношением потребителей. Использование нанотехнологий в водородной энергетике будет также предопределяться развитием этого сегмента энергетического рынка. Экологические риски использования нанотехнологий остаются неизученными, однако уже имеются опасения, что продолжительное использование материалов, композитов с наночастицами может привести к загрязнению почвы, воды токсичными наночастицами, а также к отрицательному воздействию на здоровье человека. Россия имеет значительный научный потенциал в части использования нанотехнологий для развития энергетического комплекса. По данным ЦИПРАН РАН около 6% научных организаций, проводящих исследования на наноуровне, концентрируют свои усилия на наноэнергетике. Однако, завоевание конкурентных преимуществ на мировом рынке будут зависеть от множества факторов, включая преодоление тех технологических, рыночных и экологических барьеров, которые были выделены нами ранее.

В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически всё, что угодно – солнечный свет, ветер, океанские течения, энергия вакуума и т. д. Устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды, могут иметь массу полезных применений. Механические преобразователи на основе нанопроводов могут получать энергию за счет вибрации, возникающей при ходьбе, сердцебиении, течении жидкостей или газов. Исследователи Georgia Institute of Technology предложили простой и недорогой способ генерации электрического тока при помощи пьезоэлектрических нанопроводов из оксида цинка, выращенных на текстильных волокнах. Одежда из такого материала будет вырабатывать электричество за счет трения, возникающего при ее эксплуатации.

Изображения чудо-волокон представлены на рисунке 2. Кевларовая сердцевина была покрыта нанопроводами ZnO в процессе гидротермального синтеза. В качестве связующего компонента использовался ТЭОС. Диаметр проводов составил 50-200 нм, длина – до 3.5 мкм. Нанопровода растут из пленки ZnO, которая выступает в роли общего электрода. Волокно оказалось очень гибким и прочным – при сворачивании его в петлю диаметром 1 мм не было замечено никаких повреждений.

Для получения электричества была разработана следующая схема. Два волокна были скручены в спираль, причем одно из них было покрыто слоем золота. Оно выступало в роли катода наногенератора. При трении волокон между концами цепи возникала разность потенциалов 1-3 мВ. Сила тока в цепи лимитируется сопротивлением волокон. Путем снижения сопротивления удалось добиться силы тока 4 нА. Объединение волокон в нити, из которых потом можно изготовить ткань, должно привести к увеличению производительности устройства. Ожидается, что таким образом будет достигнута мощность 20-80 мВт на квадратный метр такой ткани.

Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, создала японская электротехническая компания Sharp. Как сообщает сегодня токийская печать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Компания собирается начать промышленное производство новики уже в этом году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Компания Toshiba разработала литиево-ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора (у первого образца она была равна 600 миллиампер-часов) заполняется через несколько минут. Создать нанобатрейку удалось благодаря новой технологии, основанной на использовании наночастиц, находящихся в составе материала отрицательного электрода батареи. При зарядке батареи, наночастицы быстро собирают и хранят ионы лития. На рынке скоростная батарейка появилась в 2006 году.

Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Литература

1  C. Б. Нестеров. Нанотехнология. Современное состояние и перспективы. "Новые информационные технологии". Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004, 421 с., с.21-22.

2  , , С, , Сурис и нанотехнологий // Микросистемная техника. 2003. №8. С. 3-13.

3  И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., 2005.С. 51-55, 78-91.

4  Нанотехнологии. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Пер. с англ. - Москва: Техносфера, 2005. С.7-20.

5  Свободная интернет энциклопедия «Википедия» http://ru. wikipedia. org/

6  Сайт «ИПРАН РАН» http://www. *****/

ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИОНОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

, студент ВФ ГОУ МГИУ

Среди плазменных источников ионов в отдельную группу можно выделить источники ионов тугоплавких элементов. Основным стимулом к разработке и совершенствованию этих источников было использование их в установках для электромагнитного разделения зарядов. В создании источников для электромагнитных сепараторов достигнуты серьезные успехи: созданы приборы, работающие с большим сроком службы при весьма высоких температурах и позволяющие получать интенсивные пучки необходимых ионов. В последние годы рассматриваемые источники широко применяются не только при различных научных исследованиях, в частности, при исследовании взаимодействия ионов с твердым телом, но и при разработке новых технологических процессов. В первую очередь следует отметить использование ионных пучков в микроэлектронике для образования на поверхности твердого тела проводящих пленок, 0 для дозированного легирования полупроводников и др.

Несмотря на общность способов достижения эффективной ионизации газоразрядной среды в источниках, где рабочее вещество находится в газообразном состоянии, и в источниках ионов тугоплавких металлов, вторые обладают очевидной особенностью — в разрядной камере необходимо поддерживать достаточную плотность пара рабочего вещества, находящегося в жидком или твердом состоянии. Эта специфика приводит не только к существенным конструктивным особенностям источников, но в некоторых случаях и к использованию тех физических явлений, которые в обычных газоразрядных источниках несущественны. Новые применения предъявляют к конструкциям и свойствам источников ионов тугоплавких металлов такие требования, которые не были существенны при разработке источников для электромагнитных сепараторов. Ниже рассмотрены специфические особенности этих источников ионов.

Наиболее часто в качестве плазменного источника ионов тугоплавких металлов используется разряд с накаливаемым катодом в парах рабочего вещества. В большинстве источников пары рабочего вещества получают его нагреванием. Рабочая температура ионного источника, необходимая для поддержания в разрядной камере нужного давления паров горючего вещества, представляет собой важный параметр. Чтобы избежать конденсации паров, необходимо поддерживать при высокой температуре не только тигель, где содержится рабочее вещество, но также и разрядную камеру, и другие элементы конструкции.

Другим важным параметром этих источников является коэффициент использования вещества η: отношение числа атомов, покидающих источник в виде пучка ионов с заданным зарядом, к общему числу атомов израсходованного рабочего вещества. Важные параметр также - расходуемая в источнике мощность, чистота ионного пучка (отсутствие нежелательных нейтральных или ионизованных компонентов пучка), время установления режима работы источника, степень модуляции ионного пучка и его стабильность, ток пучка, разброс энергий ионов и др.

Так, MEVVA I - вид источника, в котором в качестве плазменной среды, из которой вытягиваются ионы, используется вакуумная дуга в парах металла (metal vapor vacuum arc). Этот источник позволил получить пучки ионов металлов с импульсным током более 1 А для множества материалов твердого электрода.

Вакуумная дуга в парах металла является плазменным разрядом между двумя металлическими электродами в вакууме. Давление должно быть достаточно низким, чтобы газ не влиял на процессы в разряде; давление околомм рт. cт. можно считать грубым верхним пределом, а обычным является давление порядка 10-6 мм рт. ст.

Проводимость в дуге поддерживается плазмой, образующейся из металла, который выделяет материал твердого электрода (катода). Таким образом, рассмотрение проблемы начинается с первоначальной стадии распространения плазмы от катода. Зажигание вакуумной дуги происходит с использованием разряда на катод через поверхность изолятора, лазерно-инициированного плазменного разряда и путем физического разъединения двух электродов во время протекания газа между ними.

Основная черта разряда этого типа - образование «катодных пятен». Это очень маленькие области с большой плотностью тока (пятна микронных размеров, в которых плотность тока может быть более 106 А/см2) на поверхности катода, где материал катода испаряется и ионизируется. Наблюдалось, что отдельные пятна передвигаются по поверхности катода, и продолжительность существования пятна может составлять лишь микросекунды; небольшие неоднородности поверхности (например, выступы) способствуют «привязыванию» дуги к этим местам. Давление в плазме около поверхности твердого тела высокое, и устанавливается большой градиент давления, который заставляет плазму, образованную в пятне, распространяться от поверхности подобно плазме, образованной взаимодействием интенсивного сфокусированного лазерного луча с поверхностью твердого тела. Ток, проходящий через катодное пятно, обычно составляет величину порядка нескольких ампер в зависимости от природы металла, а если через дугу пропустить больший общий ток, то образуется больше катодных пятен; в обычном дуговом разряде в парах металла с током дуги в несколько сот ампер могут участвовать несколько десятков катодных пятен. Скопление катодных пятен приводит, таким образом, к образованию плотной плазмы из материала катода. Эта квазинейтральная плазма распространяется от катода первоначально перпендикулярно ему и далее по направлению к аноду, тем самым обеспечивая протекание тока дуги и ее сохранение. Именно распространяющаяся плазменная струя составляет среду, из которой вытягивают ионный пучок. Плазма полностью состоит из вещества катода, так как именно на нем располагаются катодные пятна. Плазменную струю можно направить в магнитный канал, и размеры и плотность плазмы можно в какой-то степени контролировать. Плазменная струя является квазинейтральной и течет от катода к аноду. Плазма протекает через отверстие в аноде по направлению к вытягивающим сеткам, где при нормальной работе ионы вытягиваются из плазмы, и образуется пучок.

В этом устройстве использована цилиндрически симметричная конфигурация. Плазма, созданная на катоде, протекает через центральное отверстие в аноде диаметром около 1 см и через дрейфовый промежуток в несколько сантиметров к вытягивающим сеткам. Для теплоотвода в катодную и анодную области подается охладитель (дистиллированная вода или фреон при работе с более высокими напряжениями). Катодом является простой цилиндр, изготовленный из соответствующего материала, а поджигающий электрод расположен вокруг конца катода и отделен от него тонким (толщиной около 1 мм) керамическим изолятором. Так как только передняя поверхность катода подвергается вакуумнодуговой эрозии, катод в целом не обязательно изготавливать из требующегося элемента. Taк передняя часть катода может представлять собой тонкую пластинку толщиной всего несколько миллиметров, которая укреплена, например, на массивном катодном держателе, изготовленном из нержавеющей стали. Поскольку плазма образуется только из материала катода, на котором располагаются катодные пятна, и фактически отсутствует вклад в процесс ее образования от других деталей источника в зоне разряда, не очень существенно из каких материалов изготовлены, например, поджигающий электрод, изолятор поджигающего электрода и анод; тем не менее, это должны быть материалы, пригодные для работы в вакууме и плазме. Точная форма узла поджигания является предметом разработок.

Магнитная катушка, которая создает поле в области дуги, имеет простейшую конструкцию. Поле само по себе не требуется для работы источника, однако служит для повышения эффективности (отношения тока пучка к току дуги) работы источника. Магнитная индукция может изменяться до величины в несколько сот гаусс. Дуга в парах металла является, однако, таким мощным генератором плазмы, что дополнительная плазма, которая подается к вытягивающей системе, обычно не требуется, и на практике магнитное поле обычно не используется.

Вытягивающая система имеет ускорительно-замедлительную конструкцию с большим количеством отверстий. Максимальный ток пучка, который может быть создан источником, определяется вытягивающей системой и не ограничен поступающей плазмой. Таким образом, если в конкретном случае важно создать максимальный возможный ток пучка, то конструкция вытягивающей системы является решающим обстоятельством и определяет предельный ток.

Амплитуда поджигающего импульса должна составлять 5-10 кВ, а его продолжительность - несколько микросекунд; импульс удобно создавать при помощи повышающего трансформатора, который служит также для высоковольтной изоляции. Минимальное прилагаемое напряжение, при котором происходит поджигание, во многом зависит от конструкции и состояния узла поджигания. Для хорошо изготовленного узла поджигания минимальное напряжение поджигания может составлять величину в несколько сот вольт. Источником питания дуги может служить импульсная LC - линия с низким импедансом, если требуется импульс дуги длительностью ненамного больше, чем несколько миллисекунд. В качестве типичного примера можно привести линию с длительностью импульса 250 мкс, импеданс которой равен 1 Ом. Это очень простой способ достижения тока 50-500А, необходимого для дуги, и с его помощью сводится к минимуму проблема изменения напряжения источника до величины напряжения вытягивающей системы. Если напряжение заряжания импульсной линии слишком низкое, то и мало преддуговое напряжение на промежутке анод-катод, тогда поджигание может быть затруднено. В такой ситуации может помочь использование линии с более высоким импедансом или использование в цепи дуги последовательно включенного резистора с сопротивлением около 1 Ом. Другие элементы системы являются стандартными.

Источник работает с использованием разнообразных катодных материалов, включая Li, С, Mg, Al, Si, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag, In, Sn, La, Gd, Ho, Hf, Та, W, Pt, Pb, Th, U, LaB6, CdSe, FeS, PbS, SiC, TiC и WC. Все эти материалы дают интенсивные пучки - с током в сотни миллиампер при типовых условиях работы. Мягкие материалы, подобные Li, Sn и Pb, обычно работают меньшее время до того момента, когда возникает необходимость в ремонте из-за проблем с поджиганием вследствие отложения материала на изоляторе узла поджигания. Однако время работы до ремонта зависит от режима работы источника (например, тока дуги и длительности импульса). Пучки, содержащие неметаллические элементы (например, бор и серу) можно получить, используя электроды из проводящих соединений, в составе которых содержится неметалл.

Максимальный ток ионного пучка, который был измерен в устройствах, описанных выше, составляет приблизительно 1 А. Токи в несколько сот миллиампер можно получить при довольно умеренной мощности дуги (например, при токе 100 А и напряжении дуги 20 В). Форма пучка на некотором расстоянии от источника приближается к гауссовой, и половина полного тока пучка проходит через область, характеризуемую гауссовой полушириной, при которой расходимость пучка обычно составляет около 3. При оптимально настроенной вытягивающей системы нормализованный эмиттанс может составлять не менее 0,02 π см мрад (на уровне интенсивности пучка около 80%).

Максимальное вытягивающее напряжение, при котором пучок вытягивали в существующих устройствах, составляет приблизительно 100 кВ для источника MEVVA I. Поскольку распределение по зарядовым состояниям полученных ионов для некоторых металлов содержит многократно ионизированные частицы, то средняя энергия ионов в пучке может составлять 200-300 кэВ.

Источники, использующие вакуумную дугу в парах металла - новый вклад в серию ионных источников, доступных экспериментатору. Отличительная черта этих источников - возможность получения очень больших токов и то, что создаются ионы металлов; кроме того, ионы, как правило, являются многозарядными.

Литература

1.  Физика и техника плазменных источников ионов. – М.: Атомиздат, 1972. – 290 с.

2.  . Ионная имплантация в металлы. – М.: Металлургия, 19с.

3.  Я. Браун. «Физика и технология ионных источников». – М.: Мир, 1998. – 429 с.

НАНОМАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ

, студент ВФ ГОУ МГИУ

Наноматериалы – это материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Необходимо понять, что размеры частиц, из которых состоят наноматериалы ровным счетом ничего не значат, суть в том что эти наночатицы позволяют получить какие-то ранее недосягаемые свойства (например, текучесть одновременно с возможностью притягиваться к магнитам). Наночастицы в руках нанотехнологов это всего лишь инструмент. Например, можно взять много наночастиц слепить их в комок, но это не будет наноматериалом, это будет просто комком наночастиц.

Нановолокна — это волокна, диаметр которых не превышает 100 нм. Используются нановолокна в биомедицине, а также при создании специальных тканей и фильтров, в автомобилестроении и авиастроении, например утеплители и шумоизоляции. Кроме того, нановолокна используются в качестве армирующего вещества для упрочнения керамики, пластика и других материалов (нанокомпозиты). Одним из первых данных о получении углеродных нановолокон, вероятно, является патент от 1889 на синтез нитевидного углерода Хьюзом и Чамберсом. Они использовали смесь метана и водорода для выращивания углеродных нитей путем пиролиза газа с последующим осаждением углерода. Говорить о получении этих волокон наверняка, стало возможно гораздо позже, когда появилась возможность изучить их структуру с помощью электронного микроскопа. Первое наблюдение углеродных нановолокон с помощью электронной микроскопии было сделано в начале 1950-х годов советскими учеными Радушкевичем и Лукьяновичем.

Наножидкости (коллоидные растворы, нанозоль) — это жидкости, в которых равномерно распределены твердые наночастицы. Используются наножидкости в различных вакуумных системах (электронные микроскопы, вакуумные печи и т. д.).

Нанокристаллы — это наночастицы вещества, строение которых упорядочено. Нанокристаллы, как и обычные кристаллы имеют выраженную огранку. Используются нанокристаллы во флуоресцентных маркерах и электролюминесцентных панелях.

Нанокластеры – разновидность наночастиц, представляющая собой аморфную или поликристаллическую наноструктуру, хотя бы один характерный размер которой находится в пределах 1–10 нм. Нанокластеры (размером порядка десятков нанометров) находят широкое применение, например, в органическом синтезе используют высокую каталитическую активность нанокластеров переходных металлов. В будущем найдут применение и необычные оптические и электронные свойства нанокластеров полупроводниковых материалов.

Нанотрубка — это нанокристаллы цилиндрической формы. Внешне нанотрубки могут напоминать графитовую плоскость, свернутую в цилиндр. Диаметр нанотрубки находится в пределах от 1 до 100 нм. Используются нанотрубки для создания сверхпрочных нитей, в сферах медицины и электроники, электрических кабелей, транзисторов, прозрачные проводящие поверхности, топливных элементов, в сферах медицины и электроники и автомобилестроения. Так же, как и фуллерены нанотрубки изготавливаются методом электродугового распыления.

Углеродные нанотрубки — цилиндрические кристаллы, состоящие из одних лишь атомов углерода. Внешне выглядят как свёрнутая в цилиндрграфитовая плоскость. Благодаря тому, что удельная проводимость соизмерима с проводимостью металла, а максимальная плотность тока — в десятки раз выше, чем у металла, углеродные нанотрубки рассматриваются как замена металлическим проводникам в микросхемах новых поколений.

Фуллерены — это молекулярные соединения, которые представляют собой многогранники с замкнутой структурой. Используют фуллерены для получения сверхпроводников, фоторезисторов, в качестве добавок для роста алмазных пленок CVD. Получение фуллеренов осуществляется методом сжигания углерода и дуговым методом (сжигание графитовых электродов в электрической дуге). 

Графен — это модификация углерода, в которой плоскость толщиной в один атом имеет структуру кристаллической решетки. Графен используется в современной электронике при изготовлении баллистических транзисторов и других электродеталей. Получение наноматериалов в случае с графеном отличается от производства нанотрубок и фуллеренов. Графен получают механическим или химическим способом. В первом случае используется высокоориентированный пиролитический графит, от которого слой за слоем отщепляются слои графена. Химический способ основан на использовании серной и соляной кислот, в которые помещаются микрокристаллы графита.

Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. К примеру можно привести кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек.

Магнитная жидкость — относится к классу наножкостей. Внешне она похоже на черный, непрозрачный, густоватый раствор. При воздействии магнитного поля она притягивается к магниту. Применяется магнитная жидкость например в машиностроении при производстве дорогих автомобилей, для уменьшения трения между вращающимися деталями.

Наноматериалы имеют огромное значение для всего производства в целом, так как они улучшают свойства обычных материалов и в этом их основное преимущество. Рассмотренные в данном материале примеры являются лишь частью огромной набирающей обороты наноиндустрии; при этом совершенно очевидно, что различные применения вышеуказанных материалов так или иначе соотносятся с машиностроением и, в частности, автомобилестроением.

Литература

1.Свободная интернет энциклопедия «Википедия» http://ru. wikipedia. org

2. Сайт «НИЯУ МИФИ», статья ««Умные» наноматериалы» http://nano-e. *****/publ/referaty/chelnokov_umnye_nanomaterialy/

3.Сайт «Электронное издание «Наука и технологии России»», статья «Нанотехнологии в автомобильной промышленности» http://www. *****/science. aspx? CatalogId=362&d_no=8538

4.Сайт «Nanotech», статья «Нанокластеры» http://nanotech. web-craft. org/?id=26&lang=1

5.Сайт «ИНРУСГРУПП», статья «Нанотехнологии и наноматериалы» http://*****/index. php? id=137

АККУМУЛЯТОР МОЖЕТ СЛУЖИТЬ КОРПУСОМ АВТОМОБИЛЯ

, студент ВФ ГОУ МГИУ

Английские ученые из университета Imperial College, расположенного в Лондоне, совместно со своими партнерами сообщают о новом изобретении который может использоваться в составе корпуса автомобиля (или отдельных его узлов), но при этом также способен выполнять функцию аккумуляторной батареи. Прелесть новинки в том, что она будет намного легче, тоньше, а главное, значительно дешевле ныне существующих. Изобретенный вид аккумуляторов предполагается применять как в автомобильной промышленности, так и при производстве различных устройств, таких как мобильные телефоны и компьютеры, чтобы они не нуждались бы в отдельной батареи. Это сделало бы такие устройства меньше, более легкие и портативными. Запатентованная технология основана на наноразмерном материале, состоящем из смеси углеродного волокна и полимерных смол. Такая смесь способна, как и обычные аккумуляторы, заряжаться и отдавать накопленную энергию. Согласно информации, предоставленной учеными, при наращивании масштабов производства, созданный материал будет иметь массу преимуществ в сравнении с существующими на сегодняшний день источниками энергии, которые обычно используются в гибридных и электромобилях.

Различные гибридные автомобили состоят из двигателя внутреннего сгорания, который используется, когда водитель разгоняет автомобиль, и электродвигателя, питающегося от батареи, которая включается, когда автомобиль едет в режиме круиз-контроль. Автомобилю нужно большое количество батарей для питания электродвигателя, которые делают автомобиль тяжелее, а это означает, что автомобиль потребляет больше энергии, и батареи нуждаются в регулярном пополнении в короткие промежутки времени.

Всем известные литиево-ионные батареи, которые используются при сборке современного поколения транспортных средств, имеют большой вес, что сказывается на расходе энергии. Также они весьма зависимы от запасов лития, которые сокращаются с каждым годом, соответственно, влияя на цену, которая постоянно растет. Разработанный материал пока недешев, но так как он полностью синтетический, его производство не ограничивается наличием или отсутствием необходимых природных ресурсов.

Еще одна положительная характеристика нового наноматериала заключается в том, что ему, чтобы произвести энергию, нет нужды проводить химические реакции, из-за которых с течением времени обычно и ухудшаются эксплуатационные свойства обычных элементов питания, а так же он способен быстро осуществлять процесс зарядки, не изменяя своих физических свойств. Благодаря этому исчезает проблема потерь энергии – новый материал способен удерживать заряд, а батарея изготовленная из такого материала имеет, соответственно, больший жизненный цикл. Изобретенное соединение на основе углеродистого полимера имеет способность заряжаться намного быстрее обычных аккумуляторов. Заряжать данный аккумулятор в автомобиле можно будет при помощи обычной электрической сети. Дополнительно исследователи намерены реализовать возможность заряда батареи в процессе торможения за счет рекуперации кинетической энергии. Подробные характеристики новой разработки пока не сообщаются.

Однако и это еще не все! Самое интересное – это то, что новый материал по прочности не уступает стали! Для автомобилестроения по теоретическим выкладкам это означает, что новое соединение сможет повторить корпус самого авто, не будет занимать место и сократит вес электромобиля до одной трети. Потенциал этой технологии поистине огромный. Помимо электрических автомобилей, в силу своей прочности, этот материал может использоваться и для создания корпусов морских судов, которые будут приводиться в движение за счет электроэнергии, накопленной в кузове.

Британские ученые взяли для эксперимента Tesla Roadster, электромобиль люкс-класса, который производится в США. Вес машины приблизительно составляет 1200кг, при этом треть массы составляют аккумуляторные батареи, а именно – 450 кг. До следующей перезарядки батареи авто проезжает около 300 километров. Цитируем слова одного из изобретателей: «С нашим материалом Tesla Roadster потерял бы эти лишние килограммы и, в конечном счете, смог бы преодолеть большее расстояние и стал бы быстрее». По его словам даже обычные автомобили, обработанные новым композитным материалом, могут также потерять в весе, ведь новое синтетическое соединение имеет массу в 4 раза меньше стали и при этом сохраняет все ее свойства. Сейчас ученые стремятся увеличить площадь поверхности каждого волокна на столько, насколько это будет возможно без ухудшения его механических свойств. Понятно, что чем больше эта площадь, тем больше электрический заряд они смогут нести».

Точные сроки начала промышленного использования нового композитного материала пока не сообщаются, разработчики еще намерены несколько улучшить его свойства. Европейский союз поддерживает ученых и объявил, что готов выделить 3,4 млн. евро, выплачиваемых на развитие созданной технологии в течение последующих трех лет. В проекте пожелали участвовать около десятка компаний из следующих стран: Великобритания, Швеция, Германия и Греция.

Шведский автопроизводитель Volvo настолько проникся новой технологией, что уже сейчас разрабатывается прототип модели авто, в котором ниша для запасного колеса в багажном отделении будет изготавливаться из нового композитного материала, а также крыша, крылья и накладки на двери. В результате, по предварительным данным, появится возможность уменьшить массу автомобиля на 15% (за счет отказа от установки дополнительных аккумуляторов), что позволит увеличить величину пробега гибридного автомобиля на 130 км при работе от электродвигателя.